《计算机硬件技术基础(第三版)》第8章 总线技术.ppt

1、总 线 技 术,第 8 章,8. 1 总线的概念,811 概念 总线是一种数据通道，由系统中各部件所共享。或者说，是在部件与部件之间、设备与设备之间传送信息的一组公用信号线。在主控设备（部件或设备）的控制之下，将发送设备（部件或设备）发出的信息准确地传送给某个接收设备的信号通路。 总线的特点在于其公用性，即它可同时挂接多个部件或设备。如果是某两个部件或设备之间专用的信号连线，就不能称之为总线。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路。,总线概念中两个常用的技术术语。 主控设备（Master） 也就是通常所说的总线主控设备，它是一个部件或设备，是控制总线操作的一个部件或设备。总线主控设备一旦

2、被确认就可以对总线进行控制，并能够着手进行数据传送。也就是说，如果一个部件或设备欲向另一个部件或设备发送数据，它就要获得对总线的使用权，成为总线主控设备, 才可以通过总线将数据传送给另一个设备。 从属设备（Slave） 从属设备能够响应在总线上对数据进行传送的请求，但总线从属设备自己不能启动这种在总线上进行数据传送的请求。也就是说，如果一个部件或设备欲接收从总线主控设备发过来的数据，首先必须获得对总线的使用权，答应总线主控设备，并发出可以收数据的响应信号。然后等待总线主控设备发出的数据，并且在控制总线的控制之下接收从数据总线上传送过来的数据。,8. 1. 2 总线标准的四个特性 物理特性： 物

3、理特性指的是总线物理连接的方式。包括总线的条数、总线的插头、插座是什么形状的、引脚是如何排列的等。 功能特性：功能特性描写的是这一组总线中每一根线的功能是什么。从功能上看，总线分成三组：地址总线，数据总线和控制总线。 电器特性：电器特性定义每一根线上信号的传递方向、有效电平范围。 时间特性：时间特性定义了每根线在什么时间有效。,813 总线分类 在计算机系统内拥有多种总线，它们在计算机系统内的各个层次上，为各部件之间的通信提供通路。按在系统的不同层次、位置，总线可分为如下几类。 1.片内总线 片内总线，是指在微处理器芯片内部的总线,是用来连接芯片内各功能部件的信息通路。 2. 局部总线 局部总

4、线是指在印刷电路板上连接各插件的公共通路。目前，PC系列机上比较流行的标准主板局部总线有ISA、EISA、VESA、PCI以及AGP等标准总线。 3. 系统总线（内总线） 系统总线又称为内总线,这是指微机机箱内的底板总线，用来连接构成微机的各插件板。 4. 通信总线（外部总线） 通信总线又称为外部总线,它用于微机系统与系统之间、微机系统与外部设备,如打印机、磁盘设备或微机系统和仪器仪表之间的通信通道。,总线构成 虽然总线有多种，但任何总线均包括有: 数据总线 地址总线 控制线 控制信号应有以下几种类型 写存储器命令： 读存储器命令： 输入/输出写命令： 输入/输出读命令： 传送响应： 总线请求

5、： 总线允许： 中断请求： 中断响应： 时钟和复位：,814 总线操作 为完成一个总线操作周期，一般要分成四个阶段： （1）总线请求和仲裁段 （2）寻址阶段 （3）数据传送阶段 （4）结束阶段,8. 2 总线周期 821 单传送周期 最简单的一种总线周期就是单次传送的不可高速缓冲的64位传送周期。 822 成组周期 在成组传送这种操作方式下，Pentium 在连续的几个时钟内既可以采集新的数据项也可以驱动新数据项。 1. 成组读周期 2成组写周期 823 中断确认周期 中断确认周期是为了响应由中断请求输入管脚引线INTR产生的可屏蔽中断请求。 824 专用总线周期,8. 3 EISA 局部总线

6、,831 EISA 总线 1ISA总线： ISA总线最初是8位的标准总线，随着计算机技术的发展，经过多年的演变，也从8位的标准总线变成了被广泛应用的16位的标准总线。以后又发展成了经扩展的32位的标准总线EISA 2 EISA总线： EISA总线，即扩展的工业标准结构总线。是工业标准总线ISA的超集。它是在工业标准结构ISA总线的基础上发展而来的一种高性能32位结构的总线。它不仅拥有ISA总线的全部特征，而且还随着对ISA总线功能的扩充而增强了自身性能和能力。,84 VESA 局部总线,84. 1 高速图形适配器 它是基于80486 的32位局部总线，这种总线支持16 66MHZ的时钟频率，其

7、数据总线的宽度为64位，地址总线为2位，数据传送速率可高达267MB / s。 8. 4. 2 总线频率和数据传送速率 VESA总线频率理论上可高达66MHz，足可以在经典Pentium 总线操作频率下运行。如果把总线控制器也成为系统主板上的一部分的话，VESA总线完全可以在66MHz总线频率下操作。经由主板上的VESA总线插槽，VESA总线操作频率定位在50MHz似乎更加合理。VESA的基本的总线周期为两个时钟周期。但在进行读操作时还需一个等待状态。 VESA总线最快的数据传送方式采用的是与80486一样的成组传送周期方式。,843 DMA和中断 VESA总线支持三个局部总线主控设备操作，以

8、便进行高速的数据传送操作，但不支持低速的DMA传送操作。能提供的唯一的一个中断输入IRQ9，也被再次交付给标准插槽。 844 VESA 适配器 VESA最初的设计思想是把它设计成一种高速的视频适配器。目前，由VESA生产厂家提供的VESA硬盘控制器，也从VESA总线高速的数据传送速率中收益匪浅。当局域网LAN的数据传送速率达到100MB / s时，这些卡将是VESA总线最佳选择对象。 VESA适配器是附属于Pentium 的附属设备。也就是说，它只有依附于以80X86微处理器为基础的计算机系统内才可以起到应有的作用。,8. 5 PCI 局部总线,在Pentium 这样高性能的微处理器上，需要配

9、备高性能的高总线带宽的总线，以便能充分利用Pentium 的全部资源。PCI总线开放性好，具有广泛的兼容性。是一种低成本、高效益、能与ISA总线兼容的一种有前途的局部总线。 PCI总线在Pentium 和其他总线之间架起了一座桥梁，它可以让任何一种基于ISA、EISA或微通道(MCA)的添加卡插到PCI总线上。,851 PCI局部总线的特征 它拥有的最高操作时钟速度为33MHZ。 它拥有32位和64位两种数据通道。 支持由Pentium 采用的2111形式 的成组数据传送方式。 它支持总线主控方式 与ISA、EISA、微通道等多种总线兼容。 也可以把PCI局部总线看作是一个独立的处理器 它支持

10、5V和3.3V两种扩充插件卡。 提供了自动配置能力。 精心安排PCI总线信号管脚顺序 PCI总线实现了触发级的中断，这种中断可支持中断共享。 PCI总线能支持高达10个外围设备。 PCI总线工作频率在33MHZ上下变化，,852 即插即用 即插即用已进入如下三个范畴之中： 1 即插即用特征既不是装备给系统板上的BIOS、也不是装备给插件卡，而是装备给PCI局部总线的。 2 若系统板BIOS装配有即插即用这一特征，而插件卡没有装配上即插即用这一特征。安装软件会帮你分配输入/输出地址，中断请求IRQS以及DMA通道等。 3 若系统板BIOS和插件卡都装配有即插即用这一特征。自动配置会对大小事都亲自

11、处理。象对输入/输出地址的分配，中断请求IRQS以及DMA通道等事情均由自动配置处理，根本不需用户进行干预。,853 PCI标准化 任何一种CPU都可以使用PCI总线。对总线的连线进行了标准化处理，可以使CPU总线免受各种约束。 在PCI总线上，对地址和数据的传送采用的是多路传送技术。在第一个时钟周期内传送的是地址信号，而在第二个时钟周期传送的则是数据信息。 PCI总线是64位的扩展数据总线。PCI总线既可以进行32位数据传送，也可以进行64位的数据传送。,854 PCI性能 PCI局部总线既支持单存储周期的传送方式,也支持成组传送方式。在单存储周期方式下，它要用2个时钟时间对数据字进行读写操

12、作。 由于PCI总线最大时钟频率为33MHZ，所以其时钟周期为30ns。 (1) 由于在单存储周期传送方式下，每次传送均要 用2个时钟， (2) 在成组周期传送方式下，在进行地址计算时， 忽略掉第一个时钟的内务开销，它传送32位的 数据则需1个时钟周期约30ns时间，所以其总 线带宽=(1/30 ns) 4B=133 MB/s。 通过计算PCI总线在单存储周期的传送方式下，以及 PCI总线在成组周期传送方式下,855 PCI 总线桥 操作系统的多任务处理以及多媒体应用程序要求：系统外部设备对信息的吞吐量要“一大二快” 。所谓一大是指信息量要大，所谓二快是指其操作系统速度要快。PCI总线在这方面

13、显现出明显的优势。 图中展示出了基于PCI总线的一个微处理器系统。微处理器以及存储器子系统与PCI总线以及扩展总线之间是各自独立的、非耦合的关系。所有的PCI总线上部件(以及各种介质)都与PCI总线相连，然后再经由PCI总线桥(PCI Bridge)依次与微处理器相连。就是这个PCI总线桥，将其他总线与PCI分隔开来。,856 PCI总线操作 PCI总线总是在主控设备和从属设备(目标设备)之间交换信息，所谓主控设备是指对系统总线有控制权的设备，所谓从属设备是指只是对访问请求给以响应的那种设备。 PCI总线存取操作通常是由两个操作步骤组的， 一个是地址操作步骤，另一个则是数据操作步骤。 PCI总

14、线配备有一种功能非常强的成组方式 PCI总线成组传送方式有两大特点。 1.PCI总线桥拥有将单个微处理器访问合并成一次成组传送操作的能力，由此而避免了一种潜在的瓶颈现象。 2.PCI总线桥拥有在一次成组传送操作过程中传送的字节数不受限制能力。,857 总线命令 PCI总线被公认为比EISA总线控制器或者微通道MCA控制器更加智能化。它能引导微处理器通过恰当的PCI设备实施访问操作。 PCI总线桥能发出16种不同的总线操作命令。这种信息是通过C/BE3#C/BE0#(命令/字节允许)信号线实施多路传送操作的，而且是在每一个总线周期的地址操作步骤期间传送出去的。PCI总线桥的总线操作命令以及每条命

15、令的简要说明在表中列出。,858 DMA和中断 在PCI总线概念里(同样,在EISA和微通道内)，由于有了总线主控设备这一概念，就使得DMA和中断这种操作方式成为过时的、多余的。 从另一个角度上说，总线主控设备会停止系统主板上总线的操作，而与适配器之间的通信则是通过总线插件槽实现的。由此可见，PCI总线能支持真正的多微处理器操作系统。 另外，PCI总线还提供了4个敏感级可共享的中断INTA# INTD#，经由系统的BIOS这些中断可以当成标准AT IRQ使用。,859 PCI适配器 PCI总线也规定了三种不同种类的PCI板(一种是3.3V，一种是5V的，另一种则是通用的)，和两种不同的插槽（一

16、种是3.3V，另一种是5V）。通用PCI板在两种类型的插槽上都能工作。 每一个PCI卡都配备有一个其大小为256字节的配置存储器。其中的前64个字节为一个标准标题内容简介，其内配备有有关PCI卡类型、制造厂家、版本、卡的当前状态、Cache行大小，总线延迟时间(PCI总线操作时间有多长)等信息。 余下的那192个字节信息则视不同卡而定。例如,把它们设置成寄存器的基地址，可使板内RAM 、ROM、以及I/O端口，可再次映射到主存储器以及I/O空间内指定的专用地址范围。 PCI适配器为即插即用提供货真价实的支持。机器加电，系统就会对PCI总线上所有设备的配置存储器进行扫描，然后给每一个设备都分配一

17、个惟一的基地址和中断级。,8510 PCI总线信号 PCI总线上的每一信号不是与电源相邻就是与地相邻，采用这一措施的目的，就是最大限度减少噪音的干扰和信号的辐射。表中列出了每一信号的称谓以及其简单的说明。,86 高速图形端口AGP,高速图形端口AGP（Accelerated Graphics Port）是Intel于1996年为配合Pentium II的开发而推出的技术标准，是用来解决以往对3维图形的处理能力不够而开发的高速图形端口。 AGP并不是一种总线结构，是专门设计用来在显示卡的帧缓冲存储器与系统存储器之间，通过芯片组的控制对3维图形数据进行高速传输的。 AGP在主存储器与显示卡之间提供

18、了一条直接数据通道，使3维图形数据越过PCI总线，而直接将数据传送到显示子系统。,AGP在微处理器的总线时钟频率下进行操作，在显示卡的帧缓冲存储器和与系统存储器之间进行数据传送操作时，是在高速传输速率下进行操作，数据的传送速率可达528MB/s 。这种高速图形端口AGP，除了显示卡外，使用范围并不很广。 AGP的数据通道为32位。它实际上是建立在PCI总线基础上的一种新型的视频接口技术，它巧妙地利用了时钟脉冲的上升沿和下降沿触发技术，在一个周期触发两次，使数据的传输增加一倍。,8. 7 USB 通用串行总线,871 USB 接口 USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）

19、是近几年推出的一种全新的外部设备接口。它是一种高速的通信接口，它的性能比目前系统所采用的标准串行接口和并行接口都要好。 随着越来越多的使用USB接口的外部设备的出现，USB接口已成为PC机主板的标准配置。像USB鼠标、USB键盘、USB打印机、USB硬盘、USB优盘等，已经成为当今PC机接口的主流。将来USB很有可能取代PC机的大部分标准和非标准接口。,872 USB特点 USB是一个通过4线连接的12Mbps(1.5MB/s)的接口。这种总线采用的是分层的、星形的拓扑结构。它最多可支持多达127台外围设备，且全部在扩展集线器上，集线器可以置留在PC中任一个USB外围设备中，也可以是一个独立的

20、集线器盒。 现将USB总线主要特点说明如下： 1支持即插即用 2现行软件的支持 3低成本、低功耗： 4价格低廉,5支持多达127个外围设备 6标准化的硬件 7支持多种类设备 8支持多种操作速度 9占用资源少 10集中控制策略,8. 7. 3 USB硬件 1USB硬件结构 USB总线结构采用的是级联星形拓扑结构。在USB系统中，只能用一个PC机作为系统的主机。 USB主控制器 / 根集线器是由USB主控制器芯片、USB集线器控制器芯片、USB端口连接件以及控制外围电路组成。,PC机上的USB主机是由USB主控制器 / 根集线器，USB系统软件和用户软件三部分组成。,2USB连接器 图示出了USB连接器的视图和连线引脚，由图可以看出，USB连接器有4个连线引脚，,表中列出了每一连线引脚上的信号,操作 微机系统一经加电，连接在USB总线上的所有外围设备和集线器都被默认成地址0，位于下一级的端口都处于失效状态。之后，微机系统就开始对USB进行查询，比如说当发现的第一个设备是打印机，就将地址1分配给打印机。 然后再向下一级查找第二个地址仍为0的设备或集线器。若这次找到的是一个集线器，就将地址2分配给它。然后再向下查找第三个地址仍为0的设备或集线器，如此重复，直